臨界頻率

雖然所有的無線電波都可被大氣層折射，但是折射的程度卻取決於電波的頻率。經較強折射的電波會迅速地彎折而回到地面，但僅僅被輕微折射的電波就會穿過電離層而去，不再返回到地面。

折射作用的大小與無線電波的頻率成反比。這樣，低頻無線電波經受較強的折射，而很高頻率的電波則只受輕微的折射。但這並不意味着低頻波總是被彎折而返回地面的，由於在白天，D層吸收了低頻波的大部分能量，它們抵達不到E層和F層，所以也不能被折射回來。

如果逐步增高直接向上發射的無線電波的頻率，當達到某一頻率時，電波就會穿過大氣層。發生這種情況的頻率，就叫做臨界頻率。高於臨界頻率的所有電波都不能返回地面。臨界頻率並不總是相同的，它取決於電離層的電離程度，而電離程度又取決於白晝的時間和一年中的季節。盛夏期間的中午，臨界頻率是最高的。 ^[1] 

電離層會引起電磁波的折射和彎曲。在存在不同分層的等離子體中，如果電子密度增加，電磁射線將會偏離法線方向；而電子密度減少時，又會轉向法線方向。與無電離層時的傳輸相比，電離層的存在增加了電磁波的傳播路徑。此外，由於電離層可以反射電磁波信號，信號也可以在水平方向的地球表面兩點之間進行彎曲傳播，這樣就能拓展航天器的信號接收範圍，反射的頻率與電離層電子密度分佈有關。無線電信號通過電離層的傳播軌跡如圖1所示。電離層臨界頻率定義為能垂直入射穿透電離層的電磁波的最小頻率。臨界頻率確定的等離子體頻率，對應於該區域中的最大電子密度。D區、E區、F1區和F2區等各區均有自己的臨界頻率。然而，我們所説的臨界頻率通常指所有區中最大的臨界頻率，即日間為F2區的臨界頻率，夜間為F區的臨界頻率。利用電離層探測儀可以測量到地球表面臨界頻率，其方法是：利用電離層探測儀垂直向上發射頻率不斷增加的電磁信號，然後測量信號的返回時間。臨界頻率是高度的函數，可求得對應的最大電子密度為

式中e——質子電荷，C

f_{pe——臨界頻率，HZ}

m_{e——電子質量，電子數·m}^-3

^ε₀^{——自由空間的介電常數，kg-3}·S⁴·A²

電離層的臨界頻率設定了航天器與地面測控站之間通信傳輸頻率的下限。 ^[2] 

圖2(2張)

大氣上層是電離層這一情況説明電離源處在地球大氣的外部。太陽輻射是主要的電離源，這已由實驗數據證實。關於實驗數據的討論，以後將要談到。

既然這樣，就應當至少在某個高度上存在一個電子濃度和離子濃度的最大值，或簡言之，存在一個電離的最大值。

事實上，太陽輻射是能量流。由於能量損耗在空氣的中性分子和原子的電離上，這個能量流的強度隨着射線深入大氣圈而減小。但電離結果出現的自由電子和離子的濃度，不僅取決於太陽輻射的能流強度，還依賴於大氣的密度。而大氣的密度是隨高度而減小的。因此在大氣的上“界”，由於空氣密度是非常之小，大氣的電子和離子濃度很小，而在大氣的低層，由於能夠使大氣氣體電離的射線在幾乎通過了整個大氣層後能量流變得很小，所以電子和離子濃度也很小。在這兩個最小電離之同的某個高度上應當存在電子和離子渡度的最大值——電離最大值。

因而，為了進行分析，我傭可以採用如圖2所指出的那種電子濃度N對高度的依賴性。

此種電子濃度按高度的分佈稱為“層”或“簡單層”。我們將在幾何光學近似下，忽略電磁能在層中的吸收，即認為σ=0，來研究電波在此種“簡單層”中的傳播(圖2)。在這種情況中電波傳播的性質完全取決於折射率療對高度的依賴性。 ^[3]